¿Cómo puedo diseñar una fuente de alimentación de 2A o más para mis dispositivos USB de consumo?

Question

Tengo entendido que muchos de los dispositivos de consumo que se cargan a través de los puertos USB pueden cargarse a velocidades superiores a los 0,5 A. Sin embargo, en las pruebas, he comprobado que no consumen más que esto.

Configuración de la prueba

• Tengo una fuente de alimentación que emite entre 0 y 30 voltios, y entre 0 y 20 amperios.
• He ajustado el voltaje a 5 voltios, y luego he conectado un USB hembra a los cables correctamente.
• Cuando conecto un Samsung Galaxy S4 Mini, tira de unos 0,44 amperios. Lo mismo ocurre con un Samsung Galaxy Tab Pro.
• Sin embargo, cuando conecto un iPad Air con un cable lightning oficial, solo tira de unos 0,11 amperios.
• Además, probé a conectar un smartwatch ZGPAX S28 y seguía rondando los 0,44-0,45 amperios.

La fuente de alimentación es más que capaz de emitir el máximo de 2,1 amperios, así que ¿por qué no lo hace al menos con las tabletas?

¿Qué tengo que hacer en mi configuración de prueba para convencer a los dispositivos de que consuman su máxima corriente de carga?

Answer 1

La razón por la que tus dispositivos Apple/Samsung no consumen más corriente es sencilla. Es porque hay una comunicación de datos adicional entre el dispositivo Apple/Samsung y sus fuentes de alimentación dedicadas. Esto hace que ambos dispositivos se reconozcan mutuamente y se pongan de acuerdo para utilizar una corriente mayor. El cargador establece ciertos voltajes en las líneas de datos USB y esto es reconocido por el teléfono o la tableta.

Su suministro de 20 amperios no suministra estos voltajes en las líneas de fecha por lo que no "habla" con su dispositivo de Apple / Samsung por lo tanto estos asumen que es un cargador normal "tonto" y no consumen más corriente de lo que es permitido por el estándar USB que por lo general es sólo 100 o 500 mA

Para cargar un dispositivo de Apple, ponga estos voltajes en las líneas de datos:

corriente deseada : 2.000mA D- : 2.0V D+ : 2.75V

Además, dependiendo de lo llena que esté la batería, la corriente de carga también está limitada. Sólo será máxima cuando la batería esté cargada en un 30 - 70 % (estos números son sólo mi suposición). Cargar con una corriente alta es malo para la batería cuando está muy baja o casi llena.

Fuentes:

Adafruit : Los misterios de la carga de los dispositivos Apple

Voltaic : Elección de los voltajes de las clavijas USB

Answer 2

Aquí hay un artículo más completo que enumera los esquemas de identificación del divisor de resistencias D+/D- conocidos para los cargadores de alta potencia. Lo esencial es:

2,0V/2,0V - baja potencia (500mA)

2,0V/2,7V - Apple iPhone (1000mA/5-watt)

2,7V/2,0V - Apple iPad (2100mA/10-watt)

2,7V/2,7V - 12 vatios (2400mA, posiblemente utilizado por Blackberry)

D+/D- en cortocircuito - Norma USB-IF BC 1.2

1,2V/1,2V - Dispositivos Samsung

Los valores de Samsung coinciden con lo indicado en http://forum.xda-developers.com/showpost.php?p=15367853 mediante un divisor de resistencias de 10k/33k para cargadores de tabletas Galaxy de 2A.

Como dije en mis otros comentarios, también hay chips disponibles que implementan algunos de estos, por ejemplo MAX14667 , TPS2513 , Microchip's USB2534 o CYUSB3324 . La hoja de datos de este último también proporciona algunos detalles más sobre los dispositivos de Samsung:

Los dispositivos de Samsung siguen varios métodos de carga. Algunos dispositivos Samsung (Samsung Galaxy Tablets) utilizan un método de carga propio en el que los pines D+ y D- están polarizados al mismo potencial (~1,2 V). La serie Samsung Galaxy S (S3, S4) siguen la norma USB-IF BC v1.2 para los modos de carga DCP, CDP y SDP. operaciones.

El USB-IF BC 1.2 tiene estos requisitos para el modo DCP:

• Las líneas de datos D+ y D- están en cortocircuito con una impedancia en serie máxima de 200 Ω.

• No debe cortar la alimentación hasta que la tensión caiga por debajo de 2V o la corriente supere los 1,5A

• El consumo de corriente máximo absoluto permitido pero no requerido es el límite del conector USB 2.0, hasta 5A

Además, la nota de Cypress dice que el 2,7V/2,7V -> 2,4A es [también] utilizado por Apple. Las discusiones en los foros de TI en las que participaron empleados de TI (para su TPS2513A) indican lo mismo. Un empleado de TI dijo :

A partir del iPad3, se utiliza una batería de 42Whr, el largo tiempo de carga empieza a ser un problema. Compara el tiempo de carga, desde el 0% de la batería hasta el 100%, el cargador de 2,1A tarda 6 horas, el cargador de 2,4A tarda 5 horas y 40 minutos. Así que 20 minutos más rápido, pero no mucho.

Creemos que la razón principal por la que Apple lanzó el cargador de 2,4A es para mejorar la experiencia del usuario cuando carga y juega al mismo tiempo. Cuando se juega a videojuegos de alta calidad, como Infinity II, y se carga al mismo tiempo, el porcentaje de la batería de mi iPad3 es muy, muy lento, por ejemplo, 30 minutos después, sólo aumenta un 2 por ciento, lo que me vuelve loco.

Mientras se utiliza el cargador de 2,4A, el estado de la batería aumenta más rápido, al menos me siento normal, bien con él.

Answer 3

La fuente de alimentación es más que capaz de emitir el máximo de 2,1 amperios, así que ¿por qué no lo hace al menos con las tabletas?

El estándar USB no permite extraer más de 500mA de un puerto USB 1 estándar. Hasta que el dispositivo no establece la comunicación con el dispositivo anfitrión USB no tiene forma de saber cuánta corriente está disponible.

En realidad, el estándar USB exige que los dispositivos no consuman más de 100mA antes de comunicarse con el host y solicitar más energía. Esto es importante porque un concentrador USB estándar sin alimentación consumirá 500mA - 100mA para sí mismo, y 100mA para cada uno de sus puertos. Esto significa que un hub sin alimentación no puede, ni debe, intentar suministrar 500mA a un dispositivo USB.

La norma se diseñó de este modo para admitir una gran variedad de usos.

Obviamente, sólo Apple sigue la norma, y consume sólo 100mA antes de solicitar más energía.

La realidad es que pocos puertos USB son incapaces de suministrar 500mA sin que se les pida. Muchos ni siquiera se molestan en controlar el consumo de corriente y apagan los dispositivos USB que no cumplen con la normativa. Casi siempre es seguro extraer 500mA de un puerto USB sin pedir la máxima potencia al puerto anfitrión.

Las especificaciones USB más recientes permiten puertos de mayor potencia. Sin embargo, una vez más, esto debe ser solicitado para cumplir con la especificación.

Los cargadores USB no suelen ser inteligentes y no implementan un puerto host USB completo. Utilizan algunos atajos - generalmente usando resistencias en las líneas D+ y D- para señalar al dispositivo USB que el cargador es capaz de más energía sin una petición oficial.

Además, algunos dispositivos, como los de la línea iOS de Apple, también controlan la tensión suministrada y reducen el consumo de corriente en función de la caída de tensión. Por ejemplo, si un cargador informa que puede suministrar 2A, pero el voltaje no se mantiene en 5V, el dispositivo iOS consumirá menos de la corriente máxima. No cargará por debajo de 4,5V, ni por encima de 5,5V. Por lo tanto, el cargador no sólo tiene que presentar las señales correctas para indicar que se dispone de toda la corriente, sino que tiene que mantener una buena regulación en el consumo máximo de corriente.

Tenga en cuenta que se trata de un elemento de seguridad. No sólo el dispositivo de carga debe ser capaz de suministrar la corriente, sino que el cable USB utilizado debe ser capaz de transportarla. Puede que no parezca mucha corriente, pero hay muchos cables USB finos y baratos en el mercado que se calentarán notablemente con 2A fluyendo a través de sus conductores de tamaño insuficiente. Si lo pones debajo de una almohada inflamable y dejas que el calor se acumule, puede que encuentres algo más que un aislamiento derretido.

Apple no sólo verifica el cargador, sino también el cable (utilizando sus chips patentados dentro del conector del cable) para poder evitar la responsabilidad por posibles pérdidas asociadas a cargadores y cables peligrosos.

Sin embargo, siempre que utilices el cable que viene con el dispositivo, no deberías tener ningún problema con este aspecto y podrás centrarte en la señalización del cargador.

¿Qué tengo que hacer en mi configuración de prueba para convencer a los dispositivos de que consuman su máxima corriente de carga?

El estándar de Apple ha sido adoptado vagamente por otros, o es aceptado por otros, y consiste en colocar niveles específicos de voltaje en las líneas D- y D+ a una corriente baja. Colocar aproximadamente 2,0V en la línea D-, y 2,75V en la línea D+ indicará que hay 2A (10W) disponibles para la carga. Esto se puede hacer con simples resistencias:

simular este circuito - Esquema creado con CircuitLab

Si sigues este circuito en tu configuración, deberías encontrar que al menos los dispositivos de Apple se cargan a 2 o más amperios, y puede que encuentres que tus otros dispositivos también se cargan a este ritmo.

Answer 4

20 amperios es lo que el suministro es capaz de entregar, y lo que se conecta a él toma lo que necesita de esos 20 amperios.

Por ejemplo, si tienes la fuente configurada para una salida de 5 voltios y pones una resistencia de 5 ohmios a través de su salida, suministrará 1 amperio a la resistencia porque eso es todo lo que la resistencia quiere con 5 voltios a través de ella.

También puedes poner veinte resistencias de 5 ohmios a través de la alimentación, en paralelo, y suministrará 1 amperio a cada una de ellas para un total de 20 amperios.

Answer 5

Un dispositivo USB sólo consumirá la cantidad de corriente que conoce sin duda puede extraer sin causar daños en el cargador. Los dispositivos de Apple y Samsung no tienen ni idea de cuánto es seguro extraer de su cargador, por lo que se basan en el estándar USB. El estándar USB dice que "0,5 amperios es seguro". (Si el cargador se identifica como un cargador USB pero no puede manejar 0,5 amperios, no es culpa del teléfono sino del cargador).

La única forma de convencer al dispositivo de que consuma más corriente es implementar la comunicación en el cargador que se daría entre un dispositivo Apple y un cargador Apple, o un dispositivo Samsung y un cargador Samsung. No es muy difícil, y puedes comprar cargadores de calidad decente a precios razonables que lo hacen. Tu cargador no lo hace, así que 0,5 A es el límite.